JP2003163394A - 異方性レーザー結晶をポンピングするための装置 - Google Patents

異方性レーザー結晶をポンピングするための装置

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JP2003163394A JP2002311267A JP2002311267A JP2003163394A JP 2003163394 A JP2003163394 A JP 2003163394A JP 2002311267 A JP2002311267 A JP 2002311267A JP 2002311267 A JP2002311267 A JP 2002311267A JP 2003163394 A JP2003163394 A JP 2003163394A
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pumping
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ブラウン ベルント
Guenter Hollemann
ホレマン ギュンター
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Jenoptik Optical Systems GmbH
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Abstract

(57)【要約】 【課題】ポンピングパワー密度の向上に対するレーザー
結晶の破損限界の影響を少なくし、よってビームクオリ
ティの改善と、ダイオードポンピングした固体レーザー
の効率向上とを達成させる。 【解決手段】異方性レーザー結晶の結晶軸(a軸、c
軸)のうち、結晶極限強さの最大値が存在している方向
の結晶軸(a軸)が、ポンピングビーム横断面のより小
さな拡がりの方向にある最大温度勾配に沿って指向して
いる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、ポンピングビーム
横断面が互いに垂直な異なる拡がりをもっている非対称
なポンピングビームと、ポンピングビームの非対称性に
整合させたレーザービーム横断面とを用いて異方性レー
ザー結晶をポンピングするための装置に関するものであ
る。
【0002】
【従来の技術】レーザー共振器の固体レーザー結晶をダ
イオードレーザーを用いてポンピングする場合、回折限
界のビームクオリティを生じさせるためには、レーザー
ビームの拡がりをポンピング体積内部でのポンピングビ
ームの拡がりに整合させることが必要である。さらに、
高効率用の固体レーザーは高ポンピングパワー密度を必
要とするが、レーザー結晶はポンピングパワー密度が小
さくてもクラッキングが形成され、よって破損すること
があるので、高ポンピングパワー密度はレーザー結晶の
低強度によって制限を受けることが多い。これはネオジ
ムドープ型イットリウムバナジン酸塩結晶(Nd:YVO4)に
該当することで、Nd:YAGに比べると弾性モジュールがか
なり小さい。
【0003】公知のように、ダイオードレーザーは互い
に垂直な複数の方向においてかなり多様な放射特性を有
しており、固体レーザーをポンピングする場合の処理の
仕方はまちまちである。たとえば、ポンピングビームを
共振器ビームに対しロスを伴いながら高コストに整合さ
せる第1のコンセプトを選択するか、或いは、速い軸の
方向と遅い軸の方向とで異なっているダイオードレーザ
ーの放射特性をそのままにしておき、このために共振器
ビームをかなり非対称なポンピングビームに整合させる
第2のコンセプトが選択される。
【0004】上記第1のコンセプトを適用するため、レ
ーザーダイオードのかなり非対称なビーム横断面から非
点結像光学系を用いてポンピングビームの焦点に円形の
ビーム横断面を形成させることが知られている。この種
の装置の欠点は、レーザーダイオードの合焦性が遅い軸
の方向におけるビームパラメータ積によって制限され、
より優れた速い軸の方向における合焦性が「損なわれて
しまう」ことである。
【0005】高照射密度を達成するため、個々のエミッ
ターをファイバーにカップリングさせ、ファイバーをフ
ァイバー束に統合させる。このようにすると、ビームパ
ラメータ積は平均化され、放射面はエミッターの相互間
隔を含まなくなる(これに関しては
【0006】
【特許文献1】米国特許第5127068号明細書を参
照)。
【0007】しかしながら、個々のエミッターを1つの
ファイバーにカップリングさせるこの種の面倒な、高価
な、ロスを伴う方式により、ファイバー内でポンピング
ビームが消極するので、異方性結晶をポンピングする際
の吸収効率が低下する。
【0008】さらに別の公知の解決法では、個々のエミ
ッターの放射を階段状ミラーを用いて再編成させる(こ
れに関しては
【特許文献2】
【0009】WO96/13884を参照)。その結
果、互いに垂直に延びる複数の方向で本来のビームパラ
メータ積の平均値が得られる。このコンセプトは、ほと
んどの場合、ビーム横断面に関する均質性を補助的に生
じさせるファイバーカップリングと関連して適用され
る。
【0010】このコンセプトにもすでに述べた問題が生
じる。というのも、整合手段のないダイオードレーザー
に比べて40%以下のロスが生じるからである。ビーム
対称化に伴うこの種のロスは前記第2のコンセプトでは
見られないが、レーザービームをポンピングビームに整
合させるために、共振器内に補助的に光学要素を設ける
必要がある。すなわちアナモルフォトプリズムを使用す
るものは
【0011】
【特許文献3】米国特許第5103457号明細書およ
【0012】
【非特許文献1】D.C.Shannon and R.W.Wallace, "High
-power Nd:YAG laser end pumped by a cw, 10mm x 1μ
m aperture, 10-W laser-diode bar",Optics Letters,
vol. 16, pp.318-320, 1991から知られている。
【0013】これに対して円柱レンズを使用するものと
して知られているのは、以下のとおりである。
【非特許文献2】V.N. et al., "Cylindrical resonato
r with an internal astigmatic medium",Soviet Journ
al of Quantum Electronics, vol 14, pp. 483-486, 19
84
【0014】
【非特許文献3】F. Krausz, J.Zehetner, T.Brabec,
E. Winter, "Elliptic-mode cavity for diode-pumped
lasers", Optics Letters, vol. 16, pp. 1496-1498, 1
991
【0015】
【非特許文献4】D. Kopf et al., "400 mW continous-
wave diode-pumped Cr:LiSAF laser basedon a power s
calable concept", Optics Letters, vol. 20, pp. 178
2-1784, 1995
【0016】例外として、円柱ミラーを利用して軸比率
を1:10およびそれ以上にするものがある。
【特許文献4】WO00/77893および
【0017】
【非特許文献5】D. Kopf et al., "1:1 W cw Cr:LiSAF
laser pumped by a 1-cm diode array",Optics Letter
s, vol. 22, pp. 99-101, 1997
【0018】前記第2のコンセプトの場合、ダイオード
レーザーの照明密度は維持されるが、必要な共振器内部
の非点要素またはアナモルフォト要素はプロセス障害と
なる。さらに、速い軸の方向における強い合焦性のため
に、特に傾斜しやすい共振器の装置が困難になる。
【0019】共振器内部に非点要素を設けないものとし
【特許文献5】米国特許第5561547号明細書が知
られている。これは、Nd:YVO4結晶のような異方性レー
ザー結晶内にポンピングによって生じる熱レンズの楕円
性を制御するものである。レーザー結晶はレーザーにカ
ップリングされたダイオードレーザーの円形ポンピング
ビームによってエンドポンピングされ、結晶のC軸に対
し垂直に延びている対向面において保持され、且つ冷却
され、他方A軸に対し垂直に延びている対向面は熱絶縁
されている。ヒートシンク技術は異方性Nd:YVO4結晶内
部の熱レンズを円形に形成させるので、実質的に円形の
射出ビームが生じる。
【0020】この解決法の欠点は、円形のポンピングビ
ームを生じさせるために高コストのビーム成形技術を必
要とすることである。
【発明が解決しようとする課題】
【0021】本発明の課題は、ポンピングパワー密度の
向上に対するレーザー結晶の破損限界の影響を少なく
し、よってビームクオリティの改善と、ダイオードポン
ピングした固体レーザーの効率向上とを達成させること
である。この場合、吸収長さに少なくともほぼ相当して
いる結晶の長さ方向におけるポンピング体積または横断
面積をできるだけ小さくさせることをも課題とするもの
である。
【0022】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決するため、異方性レーザー結晶の結晶軸のうち、結晶
極限強さの最大値が存在している方向の結晶軸が、ポン
ピングビーム横断面のより小さな拡がりの方向にある最
大温度勾配に沿って指向していることを特徴とするもの
である。
【0023】異方性レーザー結晶が、ポンピングビーム
が通過する結晶横断面であってレーザー結晶の少なくと
も一部分においてエッジ長さが異なる互いに対を成して
対向している結晶エッジを備えた前記結晶横断面を含ん
でいる場合には、異方性レーザー結晶は、ポンピングビ
ーム横断面のより小さな拡がりの方向にしてより短いエ
ッジ長さの結晶エッジに対し平行な方向で最大熱伝播係
数を有している。
【0024】高ポンピング密度を達成するためにポンピ
ングビームの所定の非対称性を部分的に維持して、この
非対称性に対しレーザービームを整合させるため、本発
明は従来の技術とは全く異なる指向処置を取る。ポンピ
ングビーム横断面のより小さな拡がりの方向において結
晶サイズを縮小させることによって生じる熱流の非対称
性と、これから得られる熱レンズの非対称性とは、結晶
の内部に非対称なレーザーモードが生じるように共振器
に整合させることができる。非対称なレーザーモードは
非対称なポンピングモードに整合しており、しかもこの
場合更なる非面要素を設ける必要がなく、すなわち異な
る軸のために異なるビーム整形手段を使用する必要がな
い。
【0025】さらに、上記のようなレーザー結晶の指向
処置と構成により特に好都合な熱弾性特性が得られるこ
と、すなわち破壊強度が改善されることが明らかとなっ
た。これにより、レーザー結晶は公知のポンピング装置
に比べてより高いポンピングパワー密度を受け入れるこ
とができる。さらに、異方性レーザー結晶の結晶中心部
における温度状況がかなり改善される。特に、熱負荷が
小さくなるので、結晶中心部における最大温度の低下は
レーザー遷移効率の向上に対し好都合に影響する。
【0026】非対称な熱レンズは、レーザー結晶内部に
楕円形のレーザービーム横断面を生じさせるために利用
する。楕円形のレーザービーム横断面の軸比率は1:1
よりも大きく、且つ1:3よりも小さい。レーザー結晶
のブルースターカッティングしたビーム射出面を用い
て、この軸比率をレーザー結晶の屈折率と空気の屈折率
との比率のファクターだけさらに大きくさせることがで
きる。
【0027】異方性結晶としてNd:YVO4結晶を使用する
場合は、本発明を適用してこの結晶を次のように指向さ
せる。すなわちa軸がポンピングビーム横断面のより小
さな拡がりの方向(速い軸に対し平行な方向)に延び、
c軸がポンピングビーム横断面のより大きな拡がりの方
向(遅い軸に対し平行な方向)に延びるように結晶を指
向させる。
【0028】有利なヒートシンク技術および前記特許文
献5の結晶横断面の最適化とは異なり、本発明において
は、均一な熱特性を生じさせるためにc軸に対し主に平
行に指向する熱流は回避される。その代わり、結晶内部
の円形の熱レンズ或いは半径方向に対称な共振器ビーム
を回避することにより、たとえば結晶の指向性、その幾
何学的形状のようなパラメータを設定する際の自由度が
より多くなる。結晶の異方性特性は補償されず、ブルー
スターカッティングしたレーザー結晶の場合には、ポン
ピングビームのより小さな拡がりの方向におけるサイズ
はこれに対し垂直な方向におけるサイズに比べて小さく
なっており、これは本発明によれば前記発明の課題を解
決するために適用する。
【0029】非対称のポンピングビームを生じさせるた
め、ライン状に配置した個別エミッターと速い軸のコリ
メータおよび遅い軸のコリメータとを備えたダイオード
レーザーを使用するのが有利である。この場合、遅い軸
のコリメータは個別エミッターから送出された光束のビ
ーム交差面内に配置される個別レンズから構成されてい
る。
【0030】射出ビームに発生する非対称性は共振器を
適当に構成することによって10%以下に制限すること
ができ、および(または)、湾曲ミラーにおけるオフア
クシス反射によって完全に補正することができる。
【0031】
【発明の実施の形態】次に、本発明の実施形態を添付の
図面を用いて詳細に説明する。図1に図示したポンピン
グ装置は、レーザー結晶1をエンドポンピング(Endpump
en)するため、ポンピング光源2を有している。ポンピ
ング光源2はレーザーダイオードバーの形態であり、或
いは、それを配列したものであり、そのポンピングビー
ム3は2つの円柱レンズ4と5を用いてレーザー結晶1
のビーム入射面6に合焦するよう指向されている。ポン
ピングビーム3はレーザー結晶1に入射する際その横断
面は非対称であり、互いに垂直な異なる拡がりをもって
いる。
【0032】高ポンピング密度を達成させるためにレー
ザーダイオードバーの放射特性を改善するには、速い軸
のコリメーションに加えて遅い軸をも特別な態様でコリ
メーションするのが有利であることが判明した。レーザ
ーダイオードバー内にライン状に配置される個別エミッ
ターは通常、提供されるスペースの一部のみを占有する
にすぎない。スペースの他の部分は中間空間、いわゆ
る"spacing"が占めるが、この中間空間の利用されない
スペースぶんだけ放射面が大きくなるので、この中間空
間は放射パラメータ積(Strahlparameterprodukt)を悪化
させる。レーザー光束が交差している面内にコリメーシ
ョンレンズを配置すると、デッド比(Todverhaeltnis)が
減少し、これにより放射パラメータ積を2ファクタだけ
向上させることができる。このために設けられる微小光
学系7はポンピング光源2の下流側に配置されている。
【0033】円柱光学系を使用する代わりに、速い軸の
残留発散を意識的に大きくして、その後非球面レンズを
用いて合焦させるようにしてもよい。この構成の利点
は、遅い軸の方向での非球面結像がコリメーションを改
善させることにあるが、反面、速い軸と遅い軸の焦点(F
oki)がレーザー結晶1内の異なる位置にあるのが欠点で
ある。
【0034】異方性レーザー結晶1(本例では4×2×
6.9mmのサイズのNd:YVO4を使用している)は、
図2によれば、ポンピングビームに対し次のように指向
するように調整されている。すなわち結晶c軸はポンピ
ングビーム横断面のより大きな拡がりの方向に指向し、
結晶a軸(この方向には極限強さおよび熱伝播係数の最
大値が存在している)はポンピングビーム横断面のより
小さな拡がりの方向に指向している。
【0035】さらに、結晶の高さをa軸方向に低くさ
せ、よって温度勾配をさらに大きくさせると、これによ
って熱応力に対する結晶強度を著しく向上させることが
明らかとなった。これは、レーザー結晶1をかなり高い
ポンピングパワーおよびポンピングパワー密度で作動さ
せることができることを意味している。
【0036】このためレーザー結晶1は、互いに対を成
して平行に対向し且つエッジ長さが異なる結晶エッジ
8,9,10,11を持った、ポンピングビーム3が貫
通する結晶横断面を有している。この場合結晶エッジ8
と9は結晶エッジ10と11に対しエッジ長さが短く、
且つポンピングビーム横断面のより小さな拡がりの方向
に延在している。
【0037】この有利なエッジ比率は、ブルースターカ
ッティングしたレーザー結晶においてはほんの一部分に
すぎない。この一部分はビーム入射面6において始ま
り、面Eで終わっている部分である。面Eの後では、ビー
ム射出面として用いられ共鳴ビームのほうへ傾斜してい
るブルースター面12は横断面積を減少させ、よってエ
ッジ比率をも変化させている。
【0038】使用したポンピングビーム横断面は940
×330μmで、熱に変換されるポンピングパワーは
8Wに達し、測定された熱レンズは水平方向においてf
x=600mm、鉛直方向においてfy=200mmの
ものが得られた。
【0039】非対称熱レンズを用いてレーザー結晶1の
ブルースターカットにより生じたレーザービーム13の
楕円形モード横断面を図3と図4に平面図と側面図で示
す。全体で1:2ないし1:3の軸比率が設定される。
【0040】図5は、次第に低くなっている結晶高さ
(結晶エッジ8,9の長さ)と最大温度との関係、およ
び前記結晶高さとレーザー結晶内のフォン・ミーゼスの
最大比較応力との関係を調べたグラフである。後者は結
晶のクラッキングに特徴的なものである。
【0041】図6は、cw(連続波)レーザー作動また
はQスイッチングしたレーザー作動に対する共振器線形
構成を示したもので、この構成によれば、ポンピング光
源2によりポンピング光学系14を介してポンピングし
たNd:YVO4レーザー結晶1の下流側に転向ミラー15が
配置され、エンドミラー16を介してデカップリングさ
れる。共振器内部の補助的な非球面要素は使用しなかっ
た。転向ミラー15を球面ミラーとして構成すること
で、オフアクシス(Off-axis)反射によるビーム非対称を
簡単に補償(微調整)できる。
【0042】図7は、3つの転向ミラー17,18,1
9と1つのエンドミラー20とを備えた、飽和半導体吸
収器型のモードカップリング共振器を示すもので、この
共振器ではビームデカップリングに種々の可能性があ
る。たとえばレーザー結晶1とポンピング光学系14と
の間に二色性ミラーを配置することができる。また、λ
/2プレート、λ/4プレート、偏光ビームスプリッタ
ーを用いて、共振器ビーム13の偏光を所定どおりに回
転させ、回転させた成分を光路の方向でデカップリング
してもよい。また、1つの転向ミラーにおいて2つの射
出ビームをデカップリングしてもよい。半導体吸収器を
転向ミラーとして使用する場合は、個々のモードの変化
した位相位置を共振器の末端と比較して考慮する必要が
ある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明によるポンピング装置の平面図である。
【図2】レーザー結晶内の軸指向性を説明する図であ
る。
【図3】レーザー結晶内のモード横断面の平面図であ
る。
【図4】レーザー結晶内のモード横断面の側面図であ
る。
【図5】結晶高さと温度およびフォン・ミーゼスの比較
応力との関係を示すグラフである。
【図6】cwレーザー作動または300ns以下のパル
スによるQスイッチングレーザー作動を行なうための共
振器の構成を示す図である。
【図7】10ps以下のモードカップリングレーザー作
動または300ns以下のパルスによるQスイッチング
レーザー作動を行なうための共振器の構成を示す図であ
る。
【符号の説明】
1 レーザー結晶 2 ポンピング光源 3 ポンピングビーム 4,5 円柱レンズ 6 ビーム入射面 8,9,10,11 結晶エッジ 12 ブルースター面
フロントページの続き (72)発明者 ベルント ブラウン ドイツ連邦共和国 デー・07743 イェー ナ レープシュテッター シュトラーセ 9 (72)発明者 ギュンター ホレマン ドイツ連邦共和国 デー・07749 イェー ナ ヴィーゼルヴェーク 15 Fターム(参考) 5F072 AB20 AK03 JJ02 MM08 PP07

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】ポンピングビーム横断面が互いに垂直な異
    なる拡がりをもっている非対称なポンピングビームと、
    ポンピングビームの非対称性に整合させたレーザービー
    ム横断面とを用いて異方性レーザー結晶をポンピングす
    るための装置において、 異方性レーザー結晶の結晶軸のうち、結晶極限強さの最
    大値が存在している方向の結晶軸が、ポンピングビーム
    横断面のより小さな拡がりの方向にある最大温度勾配に
    沿って指向していることを特徴とする装置。
  2. 【請求項2】異方性レーザー結晶が、ポンピングビーム
    が通過する結晶横断面であってレーザー結晶の少なくと
    も一部分においてエッジ長さが異なる互いに対を成して
    対向している結晶エッジを備えた前記結晶横断面を含
    み、且つ異方性レーザー結晶は、ポンピングビーム横断
    面のより小さな拡がりの方向にしてより短いエッジ長さ
    の結晶エッジに対し平行な方向で最大熱伝播係数を有し
    ていることを特徴とする、請求項1に記載の装置。
  3. 【請求項3】レーザー結晶内に、互いに垂直に延びる方
    向において厚さが異なる非対称な熱レンズが形成され、
    熱レンズの厚さがポンピングビーム横断面の拡がりの大
    きさに整合していることを特徴とする、請求項2に記載
    の装置。
  4. 【請求項4】レーザー結晶内の熱レンズの厚さが方向に
    応じて異なることによりレーザービーム横断面が生じ、
    このレーザービーム横断面の軸比率は互いに垂直に延び
    る方向において1:1よりも大きく、1:3よりも小さ
    いことを特徴とする、請求項3に記載の装置。
  5. 【請求項5】レーザー結晶がビーム射出面としてブルー
    スター面を有し、軸比率が空気の屈折率に対するレーザ
    ー結晶の屈折率の比率のファクターだけ大きくなってい
    ることを特徴とする、請求項4に記載の装置。
  6. 【請求項6】異方性レーザー結晶としてNd:YVO4を使用
    することを特徴とする、請求項5に記載の装置。
  7. 【請求項7】非対称のポンピングビームを生じさせるた
    め、ライン状に配置した個別エミッターと速い軸のコリ
    メータおよび遅い軸のコリメータとを備えたダイオード
    レーザーを使用し、遅い軸のコリメータが、個別エミッ
    ターから送出された光束のビーム交差面内に配置される
    個別レンズから構成されていることを特徴とする、請求
    項6に記載の装置。
  8. 【請求項8】2つの円柱レンズを用いてポンピング放射
    を楕円形のビーム横断面に整合させることを特徴とす
    る、請求項7に記載の装置。
  9. 【請求項9】速い軸の方向におけるポンピング放射が所
    定の発散性を有し、非球面レンズを用いてフォーカシン
    グを行なうことを特徴とする、請求項6に記載の装置。
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